CN111962043A - 一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置及方法 - Google Patents

一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置，包括真空炉，真空炉与正极相连，真空炉中插置有阴极支撑板，阴极支撑板为T形，阴极支撑板的柱段外周包覆有绝缘陶瓷套，绝缘陶瓷套使阴极支撑板与真空炉绝缘；阴极支撑板的平台段上放置有制备装置，制备装置通过阴极支撑板与负极相连，制备装置包括支架和自润滑薄膜制作柱，自润滑薄膜制作柱通过定位盘和紧固螺钉固定在支架的外周，自润滑薄膜制作柱包括内表面柱和外表面柱。其操作方法为首先清理轴承和装置，其次对装置进行抽真空，随后向装置中通入工作气体和含硫气体，最后冷却并取出轴承，将其在机油中浸泡后干燥备用。本发明不仅适合轴承零件，也适应不同规格的轴、套零件。

Description

一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置及方法
技术领域
本发明属于轴承表面耐磨涂层技术领域，涉及一种复合硫化物薄膜的原位制备装置及方法，尤其涉及一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置及方法。
背景技术
随着先进制造技术的不断发展，轴承的服役条件更加复杂和恶劣，在航天、高温等特殊工况下，传统的润滑油脂已经难以充分发挥润滑作用。固体润滑突破了液体润滑的限制，通过粉末或薄膜等固体润滑剂减少摩擦磨损，扩展了零件的工作范围。相比油脂类润滑，固体润滑材料承载能力更强，适用范围更广。固体润滑材料常用于高速、化学及真空等严苛的工况环境，也可与金属、陶瓷等基体材料共同形成复合自润滑材料，从而大幅提高航天器、车辆等易磨损零件的工作寿命，引起了国内外学者的广泛关注。
铜、金、银和铅等软金属及其合金，硬度低，具有良好的耐蚀性能和稳定的热化学性能，在不同工作环境具有较好的润滑性能。研究结果表明，由于具有良好的导热、导电性能，软金属可在较宽温度范围内发挥稳定的减摩作用。由于容易导致严重的重金属污染，铅在自润滑材料中的应用正在逐渐减少。软金属通常制成整体自润滑材料，或者通过沉积、电镀等方法在摩擦表面形成减摩层，以适用更宽的工作温度。
与粉末和块状固体润滑材料不同，自润滑薄膜与基体有良好的结合力，具有更好的适应能力。目前，软质自润滑薄膜的研究以金属硫化物薄膜以及聚合物自润滑薄膜居多。国内外研究较多的低摩擦聚合物，主要有聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺以及聚醚醚酮等。与其他耐磨材料不同，聚合物的减摩性能受到更多参数的影响，由材质、PV值、约束条件(如对磨件的尺寸和性质等)等因素共同决定。
金属硫化物常作为一类重要的窄带隙半导体材料，一些金属硫化物和硒化物，如FeS、WS2、MoS2、NbS2、WSe2、MoSe2、NbSe2等，具有片层结构或呈疏松多孔的磷片状组织，具有良好的减摩性能。与石墨类似，WS2、MoS2和FeS属于六方晶系，具有片层结构。片层之间通过范德华力结合，较弱的结合力使S层容易产生滑移或剥离。同时，层内S原子与金属原子之间的结合是通过相对较强的共价键。FeS易于沿底面滑移发生塑性变形，FeS层可沿摩擦方向转动配列，有利于避免磨损过程中的胶合和粘着。研究发现，Cu2S、NiS等不具有片层结构的硫化物，在试验中表现出了优异的减摩性能。硫化物薄膜硬度低，具有疏松组织，可存贮润滑油脂，更适用于在油润滑条件下工作；由于易吸附在金属表面形成减摩保护膜，可在400℃以下发挥优异的减摩性能，逐渐成为国内外学者研究的热点。
自润滑薄膜的制备方法较多，主要有微波、射频及直流等离子体辅助沉积等化学气相沉积，以及水热反应、溅射和电化学沉积等。但是，在轴承零件自润滑薄膜的制备技术上，市场上还缺乏有针对性的方法。相比上述制备方法，结合对零件要求、设备成本和薄膜纯度要求，等离子体辅助沉积是一种高效低成本的薄膜制备技术。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置，包括真空炉，真空炉与正极相连，真空炉中插置有阴极支撑板，阴极支撑板为T形，阴极支撑板的柱段外周包覆有绝缘陶瓷套，绝缘陶瓷套使阴极支撑板与真空炉绝缘；阴极支撑板的平台段上放置有制备装置，制备装置通过阴极支撑板与负极相连；
制备装置包括支架和自润滑薄膜制作柱，自润滑薄膜制作柱通过定位盘和紧固螺钉固定在支架的外周，自润滑薄膜制作柱包括内表面柱和外表面柱，内表面柱外周为定位套，定位套内通过一号挡圈定位安装有轴承外圆柱面，轴承外圆柱面套在芯轴上，芯轴与轴承内表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜；
外表面柱中心固定有定位轴，轴承内圆柱面套置在定位轴上并通过二号挡圈和螺母定位夹紧，轴承内圆柱面外周为外筒罩，外筒罩与轴承外表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜。
进一步地，制备装置在离子渗、镀设备中使用。
进一步地，真空炉外连接有气瓶，气瓶为两个，两个气瓶分别盛有工作气体和含硫气体。
进一步地，工作气体采用氢气和氩气，含硫气体为硫蒸气、硫化氢或二硫化碳。
进一步地，支架为正六棱柱，自润滑薄膜制作柱为多个，多个自润滑薄膜制作柱分别固定在支架的六个侧面。
进一步地，定位轴上可套置一个或多个轴承内圆柱面，多个轴承内圆柱面通过套筒相隔开。
进一步地，阴极支撑板的柱段设置有抽真空通道，抽真空通道与真空泵相连接并与真空炉相连通，其用于真空炉的抽真空。
轴承表面自润滑薄膜制备装置的操作方法，方法的步骤为：
a、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清理，去除尖角毛刺；
b、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清洗，去除油污；
c、将制备装置置于真空炉中，真空炉密封后抽真空，至炉内气压50-100Pa；
d、向炉内通入氢气，电压升至200-300V，对零件表面细小毛刺进行表面清理；
e、向炉内通入氩气，电压升至400-600V，利用氩离子轰击制备装置和轴承表面，使零件表面快速升温至200-300℃；
f、向炉内通入含硫气体，保持温度1-3小时，完成硫化物薄膜的沉积过程；
g、缓慢降低电压至0V并关闭各气体通入炉内的通道，控制时间在2-10分钟；
h、炉内继续缓慢冷却至室温后，取出轴承零件；
i、将处理后的轴承零件浸泡在机油内0.5-2分钟后取出，利用塑料薄膜包裹，轴承表面自润滑薄膜制备完成，将轴承存放在干燥环境中待用。
本发明通过制备装置的结构优化设计，以及等离子体辅助沉积过程中的参数优化设计，可在轴承表面制备硫化物自润滑薄膜，高效低耗。本发明不仅适合轴承零件，通过调整制备装置结构尺寸，也适应不同规格的轴、套零件。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为轴承内表面自润滑薄膜制备装置俯视结构示意图。
图3为轴承内表面自润滑薄膜制备装置内部结构示意图。
图4为轴承外表面自润滑薄膜制备装置俯视结构示意图。
图5为轴承外表面自润滑薄膜制备装置内部结构示意图。
图6为在轴承外表面获得的自润滑薄膜表面SEM形貌示意图。
图中：1、真空炉；2、阴极支撑板；3、绝缘陶瓷套；4、制备装置；5、支架；6、自润滑薄膜制作柱；7、定位盘；8、紧固螺钉；9、轴承外圆柱面；10、气瓶；21、抽真空通道；61、内表面柱；62、外表面柱；611、定位套；612、一号挡圈；613、芯轴；621、定位轴；622、轴承内圆柱面；623、二号挡圈；624、螺母；625、外筒罩；626、套筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1所示的一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置，包括真空炉1，真空炉1与正极相连，真空炉1外连接有气瓶10，气瓶10为两个，两个气瓶分别盛有工作气体和含硫气体，工作气体采用氢气和氩气，含硫气体为硫蒸气、硫化氢或二硫化碳，真空炉1中插置有阴极支撑板2，阴极支撑板2为T形，阴极支撑板2的柱段设置有抽真空通道21，抽真空通道21与真空泵相连接并与真空炉1相连通，其用于真空炉1的抽真空；阴极支撑板2的柱段外周包覆有绝缘陶瓷套3，绝缘陶瓷套3使阴极支撑板2与真空炉1绝缘；阴极支撑板2的平台段上放置有制备装置4，制备装置4在离子渗、镀设备中使用，制备装置4通过阴极支撑板2与负极相连；
如图2-3所示，制备装置4包括支架5和自润滑薄膜制作柱6，支架5为正六棱柱，自润滑薄膜制作柱6为多个，多个自润滑薄膜制作柱分别固定在支架5的六个侧面，自润滑薄膜制作柱6通过定位盘7和紧固螺钉8固定在支架5的外周，自润滑薄膜制作柱6包括内表面柱61和外表面柱62，内表面柱61外周为定位套611，定位套611内通过一号挡圈612定位安装有轴承外圆柱面9，轴承外圆柱面9套在芯轴613上，芯轴613与轴承内表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜；
如图4-5所示，外表面柱62中心固定有定位轴621，轴承内圆柱面622套置在定位轴621上并通过二号挡圈623和螺母624定位夹紧，定位轴621上可套置一个或多个轴承内圆柱面622，多个轴承内圆柱面通过套筒626相隔开，轴承内圆柱面622外周为外筒罩625，外筒罩625与轴承外表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜。
轴承表面自润滑薄膜制备装置的操作方法，方法的步骤为：
a、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清理，去除尖角毛刺；
b、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清洗，去除油污；
c、将制备装置置于真空炉中，真空炉密封后抽真空，至炉内气压50-100Pa；
d、向炉内通入氢气，电压升至200-300V，对零件表面细小毛刺进行表面清理；
e、向炉内通入氩气，电压升至400-600V，利用氩离子轰击制备装置和轴承表面，使零件表面快速升温至200-300℃；
f、向炉内通入含硫气体，保持温度1-3小时，完成硫化物薄膜的沉积过程；
g、缓慢降低电压至0V并关闭各气体通入炉内的通道，控制时间在2-10分钟；
h、炉内继续缓慢冷却至室温后，取出轴承零件；
i、将处理后的轴承零件浸泡在机油内0.5-2分钟后取出，利用塑料薄膜包裹，轴承表面自润滑薄膜制备完成，将轴承存放在干燥环境中待用。
本发明所述的轴承表面自润滑薄膜制备装置及方法，其优点如下：
a、本发明解决了目前缺乏轴承零件自润滑薄膜专用生产技术的问题；
b、本发明解决了目前硫化物自润滑薄膜生产成本高的问题；
c、本发明可灵活处理不同规格尺寸的轴承内外圈及保持架；
d、本发明通过优化装置和参数，提高了硫化物自润滑薄膜的生产效率。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轴承表面自润滑薄膜的制备装置，包括真空炉(1)，其特征在于：所述真空炉(1)与正极相连，真空炉(1)中插置有阴极支撑板(2)，阴极支撑板(2)为T形，阴极支撑板(2)的柱段外周包覆有绝缘陶瓷套(3)，绝缘陶瓷套(3)使阴极支撑板(2)与真空炉(1)绝缘；阴极支撑板(2)的平台段上放置有制备装置(4)，制备装置(4)通过阴极支撑板(2)与负极相连；
所述制备装置(4)包括支架(5)和自润滑薄膜制作柱(6)，自润滑薄膜制作柱(6)通过定位盘(7)和紧固螺钉(8)固定在支架(5)的外周，自润滑薄膜制作柱(6)包括内表面柱(61)和外表面柱(62)，内表面柱(61)外周为定位套(611)，定位套(611)内通过一号挡圈(612)定位安装有轴承外圆柱面(9)，轴承外圆柱面(9)套在芯轴(613)上，芯轴(613)与轴承内表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜；
外表面柱(62)中心固定有定位轴(621)，轴承内圆柱面(622)套置在定位轴(621)上并通过二号挡圈(623)和螺母(624)定位夹紧，轴承内圆柱面(622)外周为外筒罩(625)，外筒罩(625)与轴承外表面发生辉光放电，以沉积硫化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述制备装置(4)在离子渗、镀设备中使用。
3.根据权利要求1所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述真空炉(1)外连接有气瓶(10)，气瓶(10)为两个，两个气瓶分别盛有工作气体和含硫气体。
4.根据权利要求3所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述工作气体采用氢气和氩气，含硫气体为硫蒸气、硫化氢或二硫化碳。
5.根据权利要求1所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述支架(5)为正六棱柱，自润滑薄膜制作柱(6)为多个，多个自润滑薄膜制作柱分别固定在支架(5)的六个侧面。
6.根据权利要求1所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述定位轴(621)上可套置一个或多个轴承内圆柱面(622)，多个轴承内圆柱面通过套筒(626)相隔开。
7.根据权利要求1所述的轴承表面自润滑薄膜的制备装置，其特征在于：所述阴极支撑板(2)的柱段设置有抽真空通道(21)，抽真空通道(21)与真空泵相连接并与真空炉(1)相连通，其用于真空炉(1)的抽真空。
8.一种如权利要求1所述轴承表面自润滑薄膜制备装置的操作方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
a、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清理，去除尖角毛刺；
b、对轴承内外圈、保持架以及制备装置进行表面清洗，去除油污；
c、将制备装置置于真空炉中，真空炉密封后抽真空，至炉内气压50-100Pa；
d、向炉内通入氢气，电压升至200-300V，对零件表面细小毛刺进行表面清理；
e、向炉内通入氩气，电压升至400-600V，利用氩离子轰击制备装置和轴承表面，使零件表面快速升温至200-300℃；
f、向炉内通入含硫气体，保持温度1-3小时，完成硫化物薄膜的沉积过程；
g、缓慢降低电压至0V并关闭各气体通入炉内的通道，控制时间在2-10分钟；
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